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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

Sección de Ingeniería de Redes y Telecomunicaciones

“DISEÑO DE RADIOENLACE MICROONDAS ISLA SAN LORENZO – CAMPUS

PUCP PARA EL PROYECTO PERU MAGNETO”

Tesis para optar el título de

Ingeniero de las Telecomunicaciones

Presentado por el bachiller:

Ricardo Erick Díaz Vargas

ASESOR:

Jorge Arturo Heraud Pérez

Lima, diciembre del 2015

iii

A Dios por darme la vida y a mi familia,

quienes me apoyaron en todo mi camino,

por aquellas personas con las que cruzó mi destino

y ayudaron a forjar esta historia.

iv

RESUMEN

El presente trabajo se centra en la implementación de una red de transporte para la

Integración de la estación PM-06, ubicada en la Isla San Lorenzo, del Proyecto

“Perú-Magneto” con la red privada del Instituto de Radioastronomía (INRAS) de la

Pontificia Universidad Católica del Perú. La finalidad del proyecto es que los datos

recogidos por los equipos instalados en la isla puedan ser leídos, tabulados,

analizados y posteriormente estos sirvan para la predicción de movimientos

sísmicos.

En el capítulo 1 se muestran conceptos de propagación de ondas en el espacio

libre, consideraciones y cálculos a tener en cuenta para conocer atenuaciones,

confiabilidad, desvanecimiento, ganancias y pérdidas, entre otros.

En el capítulo 2 se realizó un análisis de la realidad de la Isla San Lorenzo y su

sistema de comunicación actual. Esta información se usará para la determinación

de la velocidad de señalización (bit rate) adecuada para las condiciones del servicio

actuales y futuras.

En el capítulo 3 se determinó el mejor sistema de transmisión (fibra óptica, satélite y

microondas) y la banda de frecuencia a usar teniendo en cuenta que la red de

transporte a diseñar deberá ser escalable para poder soportar proyectos futuros.

En este punto se realizaron cálculos teóricos, y también cálculos apoyados por

aplicaciones de software especializadas en el diseño de enlaces, las cuales se

basan en modelos estadísticos y parámetros electromagnéticos.

En el capítulo 4 se describe las pruebas de campo con el enlace elegido

(microondas), para las que se tuvo en cuenta la distancia del enlace, el clima, el tipo

de zona (geografía) y la existencia o no de redes de comunicación interferentes con

el enlace.

v

ÍNDICE

ÍNDICE .............................................................................................................................. v LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ vii LISTA DE TABLAS .......................................................................................................... ix INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. x CAPÍTULO 1 Marco Teórico .................................................................................................................. 1 1.1 Consideraciones sobre la Propagación por onda de espacio ................................ 1

1.1.1. Fenómenos de las Ondas Electromagnéticas .......................................... 3 1.2. Características de los radioenlaces de microondas por visibilidad directa, LOS .. 8

1.2.1. Equipamiento de Radio ........................................................................... 11 1.2.2. Normativa sobre radio enlaces en el Perú y a nivel mundial ................. 12

1.3. Características de la Distorsión: Ruido e Interferencia ........................................ 14 1.3.1. Ruido........................................................................................................ 14 1.3.2. Interferencia ............................................................................................. 15

CAPÍTULO 2 Estado Actual y Requerimientos del Enlace para la Estación PM-06. ................... 16 2.1. Isla San Lorenzo .................................................................................................... 16

2.1.1. Descripción Geográfica del Entorno ....................................................... 16 2.1.2. Geología .................................................................................................. 17 2.1.3. Tectónica del Sector Isla San Lorenzo ................................................... 19 2.1.4. Acceso a la Isla San Lorenzo .................................................................. 20 2.1.5. Proyecto “Perú-Magneto” ........................................................................ 20

2.2. Justificación de la Instalación ................................................................................ 21 2.3. Requerimientos de la Red Expandida................................................................... 22

2.3.1. Servicios a Implementar en la estación PM-06 ...................................... 22 2.3.2. Cálculo de Ancho de Banda .................................................................... 22 2.3.3. Canalización de las Redes: VLAN .......................................................... 23

CAPÍTULO 3 Diseño y Simulación del Radio Enlace Isla San Lorenzo – PUCP .......................... 25 3.1. Diseño del Enlace .................................................................................................. 25

3.1.1. Locación de los Nodos: ........................................................................... 25 3.1.2. Tecnologías ............................................................................................. 27 3.1.3. Comparación de Parámetros en Bandas ................................................ 28 3.1.4. Link Power Budget .................................................................................. 41 3.1.5. Propuesta ................................................................................................ 41

3.2. Diseño de la Red de Energía ................................................................................ 45 3.2.1. Propuesta ................................................................................................ 46

3.3. Topología de la Red .............................................................................................. 48 3.3.1. Propuesta ................................................................................................ 49

3.4. Análisis de Ruido ................................................................................................... 50 CAPÍTULO 4 Pruebas y Resultados .................................................................................................. 52 4.1. Prueba del Enlace ................................................................................................. 52

4.1.1. Prueba 1: Ancho de Banda ..................................................................... 52 4.1.2. Prueba 2: Potencia .................................................................................. 56 4.1.3. Prueba 3: Margen del Sistema ................................................................ 59

4.2. Prueba del Sistema de Energía ............................................................................ 61 4.2.1. Estado del Sistema de Energía ............................................................... 62

vi

CONCLUSIONES ........................................................................................................... 65 RECOMENDACIONES ................................................................................................... 67 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 68

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Tipos de Propagacion desde una fuente isotropica. ................................ 1

Figura 2: Propagación por Línea de Vista (ITU-R P.452) ........................................ 2

Figura 3: Relación entre la Atenuación, Frecuencia y Tasa de Lluvia .................... 3

Figura 4: Atenuación Atmosférica Promedio contra Frecuencia (Polarización

Horizontal) ................................................................................................. 4

Figura 5: Atenuación de la onda de espacio por constituyentes atmosféricos a

presión 1, temperatura 15K y Densidad de Vapor de Agua a 7.5gm-3 ... 4

Figura 6: Refracción de las ondas de radio por la atmosfera .................................. 5

Figura 7: Geometría asociada con la Ley de Snell-Descartes ................................ 6

Figura 8: Onda directa y reflejada sobre la superficie terrestre. ............................. 7

Figura 9: Difracción de la energía de un frente de onda hacia la zona de sombra

detrás de un obstáculo; los círculos punteados indican el inicio de ondas

esféricas originadas de cada punto del frente de onda de acuerdo al

principio de Hyugens. ................................................................................ 7

Figura 10: Enlace de Microondas Simple de Izquierda a Derecha ........................... 8

Figura 11: Sistema de radio básico ............................................................................ 9

Figura 12: Radio Enlace en RadioMobile................................................................. 11

Figura 13: Regiones y Zonas del Mundo ................................................................. 13

Figura 14: Ruido Natural y Artificial .......................................................................... 15

Figura 15: Principales Caletas, Playas y Puntas de la Isla San Lorenzo ................ 16

Figura 16: Mapa de Unidades Litológicas ................................................................ 18

Figura 17: Mapa de Unidades Geomorfológicas ..................................................... 19

Figura 18: VLAN’s como Redes Logicas Definidas ................................................. 24

Figura 19: Mapa del Enlace...................................................................................... 26

Figura 20: Solapamiento de los canales en la banda de 2.4 GHz .......................... 31

Figura 21: Canales en todas las regiones para la banda de 2.4 GHz..................... 32

Figura 22: Canales disponibles según región .......................................................... 32

Figura 23: Solapamiento de los canales en la banda de 5.8 GHz .......................... 33

Figura 24: Simulación del Enlace para la Banda de 2.4 GHz en RadioMobile ....... 38

Figura 25: Simulación del Enlace para la Banda de 5.8 GHz en RadioMobile ....... 38

Figura 26: Simulación del Enlace para la Banda de 2.4 GHz en AirLink ................ 39

Figura 27: Simulación del Enlace para la Banda de 5.8 GHz en AirLink ................ 40

Figura 28: MikroTik – BaseBox5 .............................................................................. 42

Figura 29: Hyperlink – Antena con Reflector Dish ................................................... 43

viii

Figura 30: Hyper Link - Cable N - SMA .................................................................... 44

Figura 31: Simulación de la red de energía ............................................................. 45

Figura 32: Kyocera - Módulo Fotovoltaico ............................................................... 46

Figura 33: Sun Xtender – Batería VLRA .................................................................. 47

Figura 34: Controlador de Carga SunSaver-10 ....................................................... 48

Figura 35: Diagrama de la Topología de Red entre el Campus PUCP y la Isla San

Lorenzo .................................................................................................... 49

Figura 36: Prueba iPerf en Canal 5745 MHz ........................................................... 54



Figura 39: Prueba de Potencia en Canal 5825 MHz – AP ...................................... 58

Figura 40: Prueba de Potencia en Canal 5825 MHz – Station ................................ 58

Figura 41: Margen Operativo del Sistema en Canal 5825 MHz – AP ..................... 60

Figura 42: Margen Operativo del Sistema en Canal 5825 MHz – Station .............. 60

Figura 43: Formato de Muestra Estadística Diaria de los Valores de Energía ....... 61

Figura 44: Estadísticas del Sistema de Energía – 11/11/15 .................................... 62



ix

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Dimensionamiento del Tráfico ................................................................ 23

Tabla 2: Características de las Tecnologías ......................................................... 28

Tabla 3: Modos HT20 ............................................................................................ 35

Tabla 4: Presupuesto de la Potencia del Enlace .................................................. 41

Tabla 5: MikroTik – BaseBox5 .............................................................................. 42

Tabla 6: Hyperlink – Antena con Reflector Dish ................................................... 43

Tabla 7: Cable N - SMA ........................................................................................ 44

Tabla 8: Costo del Enlace ..................................................................................... 44

Tabla 9: Kyocera - Módulo Fotovoltaico ............................................................... 46

Tabla 10: Sun Xtender – Batería VLRA .................................................................. 47

Tabla 11: Controlador de Carga SunSaver-10 ....................................................... 48

Tabla 12: Costo de la red de energía ..................................................................... 48

Tabla 13: Parámetros del enlace obtenidos en el equipo MikroTik ....................... 56

x

INTRODUCCIÓN

El mundo siempre ha sido afectado por los fenómenos naturales, por lo que la

humanidad persiste en tratar de desarrollar tecnologías que logren comprenderlos,

y así lograr anticipar estos eventos y disminuir sus consecuencias. En el caso

específico de este trabajo nos concentraremos en los fenómenos sísmicos,

causantes de pérdidas tanto humanas como materiales.

El Perú se encuentra ubicado en el llamado “Cinturón de Fuego” del Pacífico, que

concentra el 85% de la actividad sísmica mundial. Por otro lado, nuestro país es

afectado por las placas tectónicas de Nazca y Sudamericana. Por tanto, el Instituto

de Radioastronomía (INRAS) de la Pontificia Universidad Católica (PUCP) ha

decidido tomar la iniciativa de analizar el comportamiento de estos fenómenos

sísmicos a través del proyecto de investigación “Perú Magneto”, dedicado al estudio

de los fenómenos electromagnéticos vinculados a eventos sísmicos, con miras a

contribuir al conocimiento global y a un eventual método fiable para la predicción de

sismos.

Este proyecto cuenta actualmente con 10 estaciones ubicadas a lo largo de la costa

del Perú. La conectividad de las estaciones se da a través del auspicio de la

empresa Telefónica del Perú, que provee de comunicación con ayuda de su red

celular. Sin embargo, la estación PM-06, ubicada en la Isla San Lorenzo frente a la

costa de la Provincia Constitucional del Callao, posee problemas de comunicación,

dada la pobre cobertura celular que tiene. La estación fue instalada en dicha isla

dado a su provechoso entorno: no solo de investigación de los campos magnéticos

generados previamente a un sismo, sino también de otros síntomas ligados a los

fenómenos sísmicos, los que darían posibilidad a futuros proyectos.

El objetivo del presente trabajo es diseñar un modelo de radioenlace que se adecúe

al contexto local limeño, el que presenta bandas de frecuencias saturadas, entornos

con altos niveles de humedad y clima variable. Así, se busca aplicar este modelo

para lograr un enlace confiable de comunicación entre la estación PM-06 en la Isla

San Lorenzo y el Centro de Investigación del Instituto de Radioastronomía. [1]

1

CAPÍTULO 1 Marco Teórico

1.1 Consideraciones sobre la Propagación por onda de espacio

Se denomina onda de espacio a aquella trayectoria emitida por una fuente

isotrópica que viaja directamente (directa) del transmisor al receptor conjuntamente

con un rayo reflejado (reflejada) por el suelo.

Figura 1: Tipos de Propagacion desde una fuente isotropica. Fuente: [2]

2

Este tipo de propagación usa frecuencias superiores a 30 MHz, por sus grandes

anchos de banda disponibles permiten implementar aplicaciones y servicios como:

Radio FM, televisión, GPS, LAN inalámbrica, WiFi, y redes celulares. La

propagación por línea de vista es una gran limitación para los servicios de onda de

espacio; sin embargo, estas pueden resolverse mediante repetidores o el uso de

comunicaciones satelitales.

En un sistema de radio punto-a-punto, un único transmisor se comunica con un

único receptor. Tales sistemas generalmente usan antenas de alta ganancia con

posiciones fijas para maximizar la potencia recibida y minimizar la interferencia que

podrían estar operando aledañamente en el mismo rango de frecuencia.

Típicamente son usados para comunicaciones satelitales, transferencia de data

dedicada por compañías de utilidades, y backhaul de las estaciones base celulares.

Estos sistemas son ventajosos porque son mucho menos costosos que la

implementación de redes con gran ancho de banda de fibra óptica subterránea

Se dirá que la propagación es por línea de vista cuando no se encuentren

obstáculos en el primer elipsoide de Fresnel y los efectos del fenómeno de

difracción sean despreciables. [3]

Figura 2: Propagación por Línea de Vista (ITU-R P.452) Fuente: [3]

3

1.1.1. Fenómenos de las Ondas Electromagnéticas

Efectos de la Lluvia en la Propagación:

La lluvia puede ser un problema para la propagación de ondas de espacio para

frecuencias mayores a 4 GHz. Principalmente, la lluvia causa atenuación de la

señal transmitida por absorción. Gotas de lluvia no esféricas pueden generar

rotación en la polarización durante la propagación.

Figura 3: Relación entre la Atenuación, Frecuencia y Tasa de Lluvia Fuente: [2]

Atenuación Atmosférica:

Es un efecto atmosférico, causado principalmente por la absorción de la energía de

microondas por el vapor de agua u oxígeno molecular. La atenuación se toma como

despreciable para frecuencias menores a 12 GHz. La máxima absorción ocurre

cuando la frecuencia coincide con una de las resonancias magnéticas del agua u

oxígeno, entonces la atenuación atmosférica tiene distintos picos a estas

frecuencias.

4

Las frecuencias afectadas se pueden ver en las figuras siguientes:

Figura 4: Atenuación Atmosférica Promedio contra Frecuencia (Polarización Horizontal) Fuente: [4]

Figura 5: Atenuación de la onda de espacio por constituyentes atmosféricos a presión 1, temperatura 15K y Densidad de Vapor de Agua a 7.5gm-3

Fuente: [2]

5

Dispersión:

Cuando la velocidad de fase y la atenuación de un medio son constantes, es decir,

que no cambian con la frecuencia, entonces la fase de la señal que contiene más

de una componente de frecuencia no será distorsionada. Si la velocidad de fase es

diferente para frecuencias distintas, entonces las componentes de frecuencia

individuales no mantendrán sus relaciones originales de fase a lo largo de su

transmisión en el medio y ocurrirá una distorsión de la señal llamada dispersión.

Refracción:

La permitividad relativa, unidad adimensional definida como la relación entre la

permitividad del material o medio y la permitividad en el vacío:

Ecuación 1: Permitividad

Fuente: [4]

Es cercana a la unidad para la atmósfera, pero realmente es una función de la

presión del aire, temperatura y humedad. Un resultado empírico que es útil para

frecuencias microondas está dado por:

Ecuación 2: Permitividad Relativa

Fuente: [4]

Esto demuestra que la permitividad generalmente decrece (acercándose a la

unidad) en cuanto la altitud aumenta dado que la presión y humedad decaen con la

altura más rápido de lo que lo hace la temperatura. Este cambio en la permitividad

con la altitud causa a las ondas de radio que se curven hacia la Tierra, como se

muestra en la Figura 6.

Figura 6: Refracción de las ondas de radio por la atmosfera

Fuente: [4]

6

La refracción no solo lleva a un rango extendido, en casos extremos puede llegar a

una propagación anómala que lleva a la onda viajera por muy largas distancias.

Esto es explicado por los cambios en el perfil del índice de refracción vertical de la

atmósfera y cómo esta afecta a la onda. [2]

Figura 7: Geometría asociada con la Ley de Snell-Descartes Fuente: [3]

Reflexión:

La reflexión es un fenómeno por el cual las ondas cambian de dirección debido a la

presencia de una superficie de acuerdo a la ley de Snell-Descartes. Se llama

reflexión difusa si es que toma lugar sobre una superficie áspera. [3]

El efecto más obvio de la presencia de suelo en la propagación de radiofrecuencia y

microondas es la reflexión de la superficie de la Tierra, sea mar o tierra. La onda

reflejada es generalmente más pequeña en amplitud que la onda directa por la

larga distancia que viaja, el hecho es que generalmente irradia de la región del

lóbulo lateral de la antena transmisora y el suelo no es un reflector perfecto. Sin

embargo, la señal recibida en el receptor será el vector suma de dos componentes

de onda y podría ser mayor o menor que la onda directa sola. Debido a que las

distancias involucradas son normalmente muy largas en términos de longitud de

onda eléctrica, aún una pequeña variación en la permitividad de la atmosfera puede

causar desvanecimiento (fluctuación a largo plazo) o cintilación (fluctuación a corto

plazo) en la fuerza de la señal. Estos efectos también pueden ser causados por

reflexiones y variaciones no homogéneas en la atmosfera. [4]

7

Figura 8: Onda directa y reflejada sobre la superficie terrestre. Fuente: [4]

Difracción:

Otro efecto del suelo es la difracción, donde una onda de radio dispersa energía en

la vecindad del límite de la línea de vista en el horizonte, dando un rango

ligeramente más lejano al horizonte. Este efecto es usualmente muy pequeño para

frecuencias de microondas. Por supuesto, cuando obstáculos como cerros,

montañas, o construcciones están en el camino de propagación, los efectos de

difracción son más fuertes. [4]

Las ondas viajan como frentes de onda esféricas transversales, en el receptor estas

se estiman como frentes de onda planas transversales a la dirección de

propagación. Cuando se encuentran con un obstáculo estas son difractadas, un

fenómeno explicado por el principio de Hyugens, que dice que cada punto del frente

de onda puede ser tomado como un radiador isotrópico, así que el comportamiento

futuro del frente de onda puede ser sintetizado de la interferencia entre estos

radiadores secundarios. [2]

Figura 9: Difracción de la energía de un frente de onda hacia la zona de sombra detrás de un

obstáculo; los círculos punteados indican el inicio de ondas esféricas originadas de cada punto del frente de onda de acuerdo al principio de Hyugens.

Fuente: [2]

8

1.2. Características de los radioenlaces de microondas por visibilidad directa, LOS

Portadoras de banda VHF (30 a 300 MHz) o superiores son necesarias para

soportar anchos de banda robustos requeridos para aplicaciones digitales de alta

velocidad. Portadoras de 10 MHz y superiores necesitan de anchos de banda de 1

GHz o más para soportar múltiples servicios simultáneamente. A estas frecuencias,

la propagación sin guía serán ondas de espacio con línea de vista.

Al posicionar las estaciones base fijas, se recomienda posicionarlas en montañas u

otras regiones de alto relieve para maximizar el rango y evitar fallas topográficas.

Figura 10: Enlace de Microondas Simple de Izquierda a Derecha Fuente: [2]

Formula de Friss

En la Figura 11 se muestra un enlace general de sistema de radio, donde la

potencia de transmisión es Pt, la ganancia de la antena de transmisión es Gt, la

ganancia de la antena de recepción es Gr, y la potencia de recepción es Pr. Las

antenas de transmisión y recepción están separadas por una distancia R.

En bases a cálculos con una antena anisotrópica integrada en una esfera de radio

R y factor de eficiencia de radiación para transformar la directividad a ganancia y

área efectiva se obtiene:

Ecuación 3: Formula de Friss

9

Se podrá estimar la máxima potencia de recepción posible mediante fórmula de

Friss. Ya que esta podría disminuir por razones como: desacoplamiento de

impedancias en ambas antenas, desacoplamientos de polarización entre antenas,

efectos de propagación que lleven a atenuación o depolarización y efectos multi-

path (multi-trayecto) que podrían causar parcial cancelación del campo recibido.

Figura 11: Sistema de radio básico Fuente: [4]

Atenuación del Enlace (Link Budget)

Los varios términos en la fórmula de Friis son comúnmente tabulados por separado

en un Link Budget, donde cada uno de los factores pueden ser considerados

individualmente en términos de sus efectos de red a la potencia recibida. Factores

de pérdidas adicionales, como pérdidas en la línea o desacoplamiento de

impedancias en las antenas, atenuación atmosférica, y desacoplamiento de

polarización también pueden ser añadidos al Link Budget. Uno de los términos en

un Link Budget es la pérdida por trayectoria (Path Loss), que define la reducción en

la fuerza de la señal en el espacio libre para la distancia entre el transmisor y el

receptor.

Pérdida por trayectoria:

Ecuación 4: Pérdida por trayectoria

Con la previa definición de pérdida por trayectoria podemos establecer los términos

restantes de la fórmula de Friis en el siguiente Link Budget:

Términos Adicionales

Hemos incluido las pérdidas por atenuación atmosférica y de línea. Añadiendo

estos términos podemos tener la potencia recibida como:

10

Potencia de transmisión Pt

Pérdida en línea de la antena transmisora (-) Lt

Ganancia de la antena transmisora Gt

Pérdida en el espacio libre (-) L0

Atenuación atmosférica (-) LA

Ganancia de la antena receptora Gr

Pérdida en línea de la antena receptora (-) Lr

Potencia de recepción Pr

Margen del Enlace (Link Margin)

En sistemas de comunicaciones prácticos es deseable tener un nivel de potencia de

recepción superior que el nivel umbral que se requiere para la mínima calidad de

servicio aceptable. A esta diferencia se le denomina margen del enlace.

LM = Pr – Pr min > 0

Este margen siempre debe ser positivo, y sus valores comunes varían entre 3 y 20

dB. Tener un margen de enlace razonable garantiza una robustez del sistema

contra variables como: el desvanecimiento de la señal por el clima, desplazamiento

de un usuario móvil, problemas por propagación multi-trayecto (multi-path), y otros

efectos impredecibles que pueden degradar la performance del sistema y calidad

de servicio.

Incrementar el margen del enlace normalmente implica un incremento en costo y

complejidad, así que incrementos excesivos de este son evitados.

Otro nombre para este parámetro es “margen operativo del sistema”, término que

utilizaremos posteriormente en este documento.

Cálculo del Enlace

El cálculo del enlace debe hacerse mediante modelos de propagación que serán

proporcionados por software de simulación. Estos simuladores trabajaran con

bases de datos geográficos que permitirán obtener información sobre el entorno

geográfico en la trayectoria del enlace; así como también adicionar las variables

climáticas, temporales, estacionales, y locales del contexto. También estará incluida

en la simulación información de los equipos de transmisión utilizados para el

radioenlace.

11

RadioMobile

Software libre de simulación de propagación que sigue el modelo Longley Rice

(Irregular Terrain Model) y trabaja para las frecuencias de 20 a 20000 MHz. [5]

Figura 12: Radio Enlace en RadioMobile Fuente: Propio

1.2.1. Equipamiento de Radio

Radio

Es el dispositivo transmisor que se encarga de emitir una señal, código o mensaje,

a la vez este dispositivo será un receptor para dar la comunicación en ambos

sentidos. Este será el encargado de dar la modulación y la codificación deseada a

la señal transmitida.

12

Antena

Son dispositivos para la emisión o recepción de ondas de radio. Una antena

emisora es un dispositivo alimentado por un generador de energía eléctrica a cierta

frecuencia que emite ondas de radio en el espacio.

Las principales características de una antena son [3]:

- Patrón de Radiación

- Ganancia

- Directividad

- Ancho de Haz

- Apertura

- Polarización

- Altura Efectiva

- Impedancia

Torre

Estructura usada para soportar los equipos de telecomunicaciones necesarios para

la comunicación.

1.2.2. Normativa sobre radio enlaces en el Perú y a nivel mundial

Plan Nacional de Atribución de Frecuencias:

Cada país posee un trámite para la consigna de licencias para enlaces de radio de

microondas. Estos regulan los transmisores utilizados, y a la vez ofrece protección

contra la interferencia que puede obtener el receptor. Los costos de licencia están

vinculados con el tamaño del espectro ocupado por la señal y son comúnmente

influenciados por los reguladores locales.

En el Perú esto está regulado por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones

(MTC) dentro del Plan Nacional de Atribución de Frecuencias (PNAF). Esta asigna

a cada banda servicios primarios, permitidos y secundarios. Los servicios primarios

se diferencian de los permitidos en que los servicios primarios serán los primeros

en escoger frecuencias.

Las ventajas que posee un servicio primario o permitido son protección y

prevención contra interferencia perjudicial por un servicio secundario; sin embargo,

los servicios secundarios pueden tener derecho a protección contra interferencias

13

perjudiciales pero solo de aquellas causadas por estaciones del mismo servicio u

otros servicios secundarios con frecuencias asignadas posteriormente.

Figura 13: Regiones y Zonas del Mundo Fuente: [6]

Aplicaciones ICM:

Las siguientes bandas están destinadas para aplicaciones industriales, científicas y

médicas (ICM):

- 13 553 – 13 567 kHz (frecuencia central 13 560 kHz),

- 26 957 – 27 283 kHz (frecuencia central 27 120 kHz),

- 40.66 – 40.70 MHz (frecuencia central 40.68 MHz),

- 2 400 – 2 500 MHz (frecuencia central 2 450 MHz),

- 5 725 – 5 875 MHz (frecuencia central 5 800 MHz), y

- 24 – 24.25 GHz (frecuencia central 24.125 GHz)

Los servicios de radiocomunicaciones que funcionan en estas bandas deben

aceptar la interferencia perjudicial resultante de estas aplicaciones y en ningún caso

podrán causar interferencias a aplicaciones industriales, científicas o médicas

(ICM). [6]

Este grupo de frecuencias, denominadas Bandas No Licenciadas, son bandas que

no necesitan de una solicitud de licencia para ser utilizadas, por tanto tampoco de

14

un pago. Por esta misma razón, muchos usuarios hacen usos de estas bandas.

Contrastantemente, la gran cantidad de usuarios puede llegar a saturar estas

bandas en ciertas zonas geográficas con muy poco derecho a reclamos por

interferencia.

1.3. Características de la Distorsión: Ruido e Interferencia

1.3.1. Ruido

El efecto del ruido es crítico para el comportamiento de la mayoría de

comunicaciones por radio frecuencia y microondas, radares y sistemas de sensores

remotos dado que este determina el umbral para el mínimo de señal, o sensibilidad,

que puede ser detectado confiablemente por un receptor.

El ruido en un sistema de microondas puede provenir de fuentes externas o

generarse dentro de sí mismo. En cualquier caso, el nivel de ruido de un sistema

determina el mínimo de potencia de una señal para que pueda ser detectada en

presencia de ruido. Es deseable minimizar el nivel de ruido residual de un receptor

de comunicaciones para lograr la mejor performance.

Ruido externo puede ser introducido al sistema por la antena receptora o por

acoplamiento electromagnético. Algunas de las fuentes de ruido de radiofrecuencia

externa son:

- Ruido térmico del suelo

- Ruido cósmico del cielo

- Descargas eléctricas atmosféricas

- Lámparas de descarga de gas

- Estaciones de radio, TV o celulares

- Dispositivos inalámbricos

- Hornos de microondas

- Dispositivos de interferencia deliberados

15

Figura 14: Ruido Natural y Artificial Fuente: [4]

1.3.2. Interferencia

Cuando existen dos o más ondas de igual naturaleza y frecuencia que viajan en el

mismo medio, se puede aplicar el principio de superposición para obtener la

perturbación resultante llamada interferencia. La suma algebraica de todas las

ondas componentes es el resultado de las ondas interferentes. [7]

Estas interferencias pueden ser constructivas o destructivas dependiendo si llegan

en fase o no. El movimiento de los puntos varía dentro de una figura de

interferencia pasando por regiones iluminadas y oscuras, que resultan en el

desvanecimiento de la señal. [3]

16

CAPÍTULO 2 Estado Actual y Requerimientos del Enlace para la Estación PM-06.

2.1. Isla San Lorenzo

2.1.1. Descripción Geográfica del Entorno

La isla San Lorenzo es la isla más grande en el Perú sobre el Océano Pacifico.

Incorporada a la Provincia Constitucional del Callao por el presidente Andrés

Avelino Cáceres Dorregaray el 18 de noviembre de 1899. Esta, junto a su isla

vecina El Frontón se encuentran frente a la línea de la playa de La Punta en el

Callao con coordenadas entre los paralelos 77°16’ - 77°11’ de longitud Oeste y

12°3.8’ - 12°7.5’ de Latitud Sur. Posee una extensión de 16.5 km2 [8] con

aproximadamente 8 km de largo y 2.2 km de ancho y desniveles topográficos desde

0 a 396 msnm, siendo su punto más alto el cerro La Mina.

Figura 15: Principales Caletas, Playas y Puntas de la Isla San Lorenzo Fuente: [9]

17

La isla San Lorenzo comprende las siguientes caletas, playas y puntas como se

muestran en la Figura 15:

1. El Cabezo o Cabo de San

Lorenzo

2. Vela Tendida

3. Sombrerete o Galeras

4. De los Presos

5. Sanitaría

6. El Panteón o Playa Hermosa

7. El Infiernillo

8. Factoría o El Paraíso

9. La Cueva o caleta Chica

10. Pescadores o La Pesquería

11. Las Gaviotas

12. La Cruz o de Los Muertos

13. Punta La Muñeca

14. Punta El Sauce

15. La Ballena

16. La Cocina

17. Calavera

18. Playa Grande

19. San Juan o Tres Cruces

20. El Colorado o El Arenal

21. El Alfaque o Bradley

22. Almagra

23. La Meseta

24. Lobería o Piedra Gorda

25. Cerro del Cabezo o del Faro

26. Cerro del cañón o La Mina

27. Cerro Encantado

28. Cerro Guanay

2.1.2. Geología

El Instituto Metropolitano de Planificación nos da información detallada sobre la

caracterización del medio físico en la Isla San Lorenzo.

Los materiales presentan particularidades en la distribución y tipos de materiales,

las cuales ha permitido tratarlas en unidades homogéneas para la Isla San Lorenzo

en las siguientes unidades:

Material de cobertura: Depósitos eólicos (Qr-e), Depósito marino (Qr-m)

Roca de basamento: Fm Herradura (Ki-h), Fm Marcavilca (Ki- m)

Por otro lado vamos a mencionar la configuración y sectores que cubren el ámbito

de la Provincia Constitucional del Callao, entre ellos mencionamos los siguientes.

Sectores la Isla San Lorenzo, cabinzas y Palominos

Corresponden a los macizos líticos insulares ubicados a 4 km aproximadamente al

Oeste de la zona continental, conformados a partir de los materiales de cobertura y

de la roca de basamento como se presentan a continuación:

18

Material de Cobertura

Depósitos eólicos (Qr-e), Depósito marino (Qr-m)

En el borde occidental de la Isla San Lorenzo y ocupando franjas angostas y

alargadas, las aguas de mar acumulan arena gruesa y media con algunos restos de

conchas conformando los depósitos marinos siendo más limitado en el borde

oriental.

En cambio en el frente occidental las corrientes de aire son intensas, lo cual

produce el arrastre y la acumulación de arenas gruesas en amplias extensiones de

los relieves ocupando mayor altitud para conformar los depósitos eólicos.

Figura 16: Mapa de Unidades Litológicas Fuente: [10]

Roca de Basamento

Fm Herradura (Ki-h), Fm Marcavilca (Ki- m)

Las Islas San Lorenzo y El Frontón se ha configurado en una secuencia de rocas

sedimentarias clásticas, donde los niveles inferiores están constituidos de lutitas

muy friables y fracturadas hacia la parte superior consiste de una arenisca cuarzosa

19

dura inclinadas al Oeste. Se anota que esta secuencia sedimentaria se presenta en

el Cerro Morro Solar-Chorrillos.

2.1.3. Tectónica del Sector Isla San Lorenzo

Se reporta estructuras tectónicas (falla de orientación Noroeste – Sureste) que

recortan la prolongación del macizo rocoso del Cerro Morro Solar, y que al ser

proyectadas hacia el Norte coincide con alguna estructura que levantó y puso en

posición actual las Islas San Lorenzo, Cabinza y Los Palominos (en la Isla San

Lorenzo la secuencia de rocas sedimentarias son las que se distribuyen en el Morro

Solar).

En esta parte se tienen el mismo estilo estructural del Cerro Morro Solar, donde los

estratos de las rocas sedimentarias mantienen ligeros cambios en la posición

debido a la falla que la atraviesan y en los trazos se ha generado zonas de

debilidad y de intenso proceso de meteorización química (oxidación e hidroclastía).

Las fracturas atraviesan las rocas y facilitan la separación de bloques de roca en

forma individual. [10]

Figura 17: Mapa de Unidades Geomorfológicas Fuente: [10]

20

2.1.4. Acceso a la Isla San Lorenzo

La isla siempre estuvo despoblada, pero actualmente existe una base naval. En

1926 se inaugura la Base Naval San Lorenzo durante el segundo gobierno de

Augusto B. Leguía, desde entonces hasta la actualidad, la isla cumple funciones

militares de seguridad nacional.

Desde el 2011, San Lorenzo no está abierto al público. Es un área restringida

controlada por la Marina de Guerra del Perú, en raras ocasiones profesionales

especializados pueden solicitar y recibir permisos extraordinarios para acceder a la

isla. Los buques civiles requieren mantener de una distancia de 300 metros de la

orilla de la isla.

2.1.5. Proyecto “Perú-Magneto”

“Perú-Magneto” es un proyecto de investigación del Instituto de Radioastronomía

(INRAS) de la Pontificia Universidad Católica (PUCP) que estudia la relación entre

los fenómenos electromagnéticos en el subsuelo y la actividad sísmica, con la

donación de 9 magnetómetros por parte de la subdivisión Quakefinder de la

compañía norteamericana Stellar Solutions (California, EE.UU.) y un décimo por

Telefónica del Perú.

Basándose en investigaciones previas que postulan que en el momento en que

sucede un sismo, dada la presión de las placas tectónicas una contra otra, se

generan cargas eléctricas que generan diversos efectos, como viajar a la superficie

y se manifiestan de diferentes formas, como luminiscencias. Asumiendo así que

estas son una manera de prever que se acerca un sismo.

Este proyecto cuenta actualmente con 10 estaciones ubicadas a lo largo de la costa

del Perú que hacen uso de magnetómetros para medir la actividad en el campo

magnético local. La conectividad de las estaciones se da a través del auspicio de la

empresa Telefónica del Perú que provee de comunicación con ayuda de su red

celular, así los datos recopilados son enviados al INRAS para su procesamiento y

estudio.

Adicionalmente, existen estudios complementarios para validar el progreso obtenido

en la investigación, como: el registro continuo del cielo en busca de luminiscencia

pre-sísmica y co-sísmica, el registro de ondas de radio de baja frecuencia y su

asociación con actividad sísmica, y el registro de micro-desplazamientos de la

corteza terrestre a través de un sistema de GPS de alta precisión

21

Esto permitió el análisis de los datos tomados y obtener logros como: la primera

alerta temprana de sismos realizada para el sismo del 22 de octubre del 2010,

comunicada con anticipación de 15 días y los primeros eventos de triangulación

electromagnética de sismos, ambos realizados por primera vez a nivel mundial en

el INRAS. [1]

2.1.5.1. Estación PM-06

Uno de los 10 magnetómetros del Proyecto “Perú-Magneto” está posicionado en la

Isla San Lorenzo, ubicado aquí por las grandes ventajas geográficas de la isla como

su gran extensión libre de interferencias electromagnéticas y previos registros de

fenómenos luminiscentes pre-sísmicos y co-sísmicos, fundamentándose en esto se

logró el permiso de la Marina de Guerra del Perú para instalar una estación en la

Isla.

Las coordenadas de la estación son:

Latitud : 12° 5'1.57"S

Longitud : 77°12'47.12"O

2.1.5.2. Equipos de Telecomunicaciones

La comunicación actual se da montada en la red celular 2G y 3G del operador

Movistar y se envían los datos a la red de paquetes mediante los protocolos GPRS

o UMTS dependiendo de la conexión.

Se utilizaron dos tipos de antenas para las pruebas de establecimiento de conexión

de la estación PM-06 con la estación base celular:

Antena Omnidireccional

Antena Direccional Yagi

2.2. Justificación de la Instalación

La propuesta de instalación de este enlace tiene como objetivo lograr la autonomía

de red entre los datos cifrados exclusivamente para Stellar Solutions en California y

los datos recolectados de los experimentos en la Isla San Lorenzo propietarios del

INRAS.

22

Adicionalmente, el enlace tiene como objetivo la escalabilidad de los proyectos a

realizar en la isla en un futuro, dado que la isla posee gran potencial de

investigación por su entorno con muchos factores de análisis.

2.3. Requerimientos de la Red Expandida

2.3.1. Servicios a Implementar en la estación PM-06

Actualidad:

Magnetómetro

Expansión:

Sensor de Campos Eléctricos

Sensor de Desplazamiento

Cámara de Video

Cámara Infrarroja

2.3.2. Cálculo de Ancho de Banda

Para dimensionar el tráfico utilizamos bases de datos de perfiles de tráfico en sus

máximas tasas de transmisión según protocolos. No usaremos el dimensionamiento

para “Hora Cargada” dado que los datos se envían de una manera plana y

continua:

Magnetómetro:

Se envía un paquete 300 kB diariamente, este será un tráfico de ráfaga (burst),

normalizando este valor a lo largo del mes se obtiene un valor de 0.028 kbps.

Aproximaremos este valor a 1 kbps como un perfil de tráfico de mensajes de texto.

[11]

Sensor de Desplazamiento:

Se enviará data en serie continuamente, pero esta no será un flujo de video. Estos

dispositivos poseen de una salida RS485. Se aproxima al tráfico de un radar y se

tendrá 64 kbps. [12]

Sensor de Campos Eléctricos

Se utiliza un método parecido al anterior aproximando la tasa a la de sensores para

equipos submarinos obteniendo así 128 kbps. [12]

23

Cámara Infrarroja:

Trafico continuo utilizando códec MPEG4 en Simple Profile con cuadros CIF

(352x228) necesitara una tasa de transmisión promedio de 384 kbps. [13]

Cámara de Video:

Utilizando el códec H264 con resolución de 640x360 (16:9) o 640x480 (4:3)

tendremos una tasa máxima de 800 kbps. Aunque con esta misma tasa de

transmisión también soportaremos códecs de hasta 1280x720 (16:9). [14]

Total de Tráfico:

Todas estas cargas dan un total de 1377 kbps, tomando un margen de alrededor de

10% nos dará un aproximado de 1,5 Mbps

Servicio kbps

Magnetómetro 1

Sensor de Desplazamiento 64

Sensor de Campos Eléctricos 128

Cámara Infrarroja 384

Cámara de Video 800

Total 1377

Margen 10%

Total con Margen 1514.7

Tabla 1: Dimensionamiento del Tráfico Fuente: Propio

2.3.3. Canalización de las Redes: VLAN

Una VLAN, Virtual Local Area Network, es una red conmutada segmentada

lógicamente por función, equipo de proyecto, o aplicación, sin importar la locación

física de los usuarios. VLAN’s tienen las mismas propiedades que las LAN’s físicas,

pero pueden agrupar estaciones terminales aun si estas no están ubicadas

físicamente en el mismo segmento LAN.

Usualmente asociadas con subredes IP. El tráfico entre VLAN’s debe ser ruteado.

24

Una red de capa 2 puede ser particionada para crear múltiples dominios distintos,

mutuamente aislados para que el tráfico de paquetes pase solo entre ellos vía uno

o más routers o switches.

Figura 18: VLAN’s como Redes Lógicas Definidas Fuente: [CISCO]

25

CAPÍTULO 3 Diseño y Simulación del Radio Enlace

Isla San Lorenzo – PUCP

El objetivo principal de este trabajo de tesis es el lograr habilitar a la Isla San

Lorenzo con una tasa de transmisión de 1.5 Megabits por segundo (Mbps). Esto

será posible con el apoyo de la Pontificia Universidad Católica del Perú y la

implementación de los equipos requeridos por parte del Grupo de

Telecomunicaciones Rurales (GTR).

El diseño de este radioenlace debe cumplir con los siguientes requerimientos:

Enlace entre dos nodos con tasa de 1.5 Mbps (Capítulo 2)

Red de energía que soporte al sistema durante todo el año

3.1. Diseño del Enlace

3.1.1. Locación de los Nodos:

Se cuenta solo con dos puntos específicos para la conexión punto a punto:

Complejo McGregor, ubicado en el Campus PUCP, del cual se utilizará el

techo donde se encuentran las torres de comunicaciones de DIRINFO a una

altura de 120 m.s.n.m.

La dirección del Complejo es Av. Universitaria 1801, San Miguel Lima 32.

Las coordenadas de mismo son -12.068602, -77.078613.

La locación en la cima de la torre McGregor nos otorga una elevación

suficiente para tener una línea de vista completamente libre de obstáculos.

Adicionalmente, reduce el efecto de la interferencia producida por los demás

sistemas inalámbricos en medio de la trayectoria, por ello esta locación es la

más óptima dentro de todo el Campus de la PUCP.

26

Centro de Comunicaciones ubicado en la Isla San Lorenzo, donde se

dispondrá de una caseta previamente utilizada por la Marina de Guerra del

Perú, a una altura de 60 m.s.n.m.

Las coordenadas del nodo dentro de la isla son -12.083769, -77.213113

El punto más alto de la isla es el centro de telecomunicaciones ubicado a 80

m.s.n.m. Sin embargo, al no contar acceso a este, el punto a escoger será

una caseta militar donde se albergarán los equipos necesarios. Esta se

encuentra a 60 m.s.n.m.

Figura 19: Mapa del Enlace Fuente: Google Maps

Descripción del enlace entre la Isla San Lorenzo y el Campus PUCP:

La distancia lineal entre ambos nodos del enlace es de 14.74 km.

Entre dichos nodos, se posee línea de vista y además:

65% de la trayectoria va sobre el mar y

35% de la trayectoria pasa sobre los distritos del Callao y San Miguel

Como fue explicado dentro del Capítulo 2, la sección del enlace que atraviesa el

mar será afectada por la interferencia multi-trayecto, la cual es generada por la

reflexión de las ondas sobre el mar, y la sección que va sobre las zonas urbanas

será afectada por la interferencia de otros sistemas inalámbricos que utilicen la

misma banda de frecuencia.

27

3.1.2. Tecnologías

Las comunicaciones a largas distancias pueden lograrse de modos distintos, de

entre los cuales analizaremos las comunicaciones por redes satelitales o celulares y

los enlaces punto a punto o multipunto.

Para el problema presentado (capítulo 2), una solución satelital resultaría muy cara,

dado que requiere de una gran inversión y costos de operación. Por otro lado, de

elegirse una solución celular, la cobertura es dependiente del despliegue de

infraestructura del operador móvil que la brinda. Por ello, no se podría obtener un

acceso a la red celular del operador para la zona en que se ubica el segundo punto,

Isla San Lorenzo.

Los enlaces de microondas son enlaces de línea de vista (Line Of Sight, LOS), lo

cual significa que los obstáculos en la trayectoria generan pérdidas en la

conectividad. Sin embargo, esta tecnología es de fácil adquisición e instalación.

Satelital Celular Radio LOS

Cobertura

Siempre Depende del Operador 0-400 km Punto a Punto

Dependiendo de la trayectoria

de los puntos

Ancho de

Banda

Bajo 2G: 200 kHz

3G: 5 MHz

4G: 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20

MHz

(3GPP)

802.11

a: 20 MHz (5 GHz)

b: 22 MHz (2.4 GHz)

g: 22 MHz (2.4 GHz)

n: (2.4 y 5 GHz simultáneos)

ac: 160 MHz (5 GHz)

(IEEE) [15]

28

Velocidad de

Transmisión

DL: 3 Mbps

UL: 1Mbps

2.5 G: GPRS

DL: 32-48 kbps

UL: 15kbps

3G: W-CDMA

DL: 800 kbps

UL: 60 kbps

4G: LTE

DL: 172.8 Mbps (2x2)

UL: 86.5 Mbps

(3GPP)

802.11

a: 20 Mbps

b: 5.9 Mbps

g: 22 Mbps

n: 600 Mbps

ac: 433x3 Mbps

(IEEE) [15]

Costo

Mensual:

80 USD

Instalación:

100 USD

(Movistar Chile) [16]

Depende del Operador -Bandas Licenciadas:

Depende del país

-Bandas No Licenciadas:

No hay gasto

Tabla 2: Características de las Tecnologías

Fuente: Propio

3.1.3. Comparación de Parámetros en Bandas

A continuación presentaremos una comparación de los parámetros

electromagnéticos, explicados previamente dentro del Capítulo 1, calculados para

cada banda de frecuencia:

Longitud de Onda:

Es la distancia espacial en que se repite el periodo de la onda. A menores

frecuencias, tendremos longitudes de onda más grandes y viceversa, como fue

explicado dentro del capítulo 1.

En el caso de una frecuencia de 2.4 GHz, la longitud de onda será de 12.5 cm.

En el caso de una frecuencia de 5.8 GHz, la longitud de onda será de 5.1724 cm.

Zona de Fresnel:

Es el lóbulo que se genera para la propagación de la señal y es dependiente de la

frecuencia. Se recomienda mantener el 60% de la primera zona de Fresnel sin

obstrucciones para obtener enlaces óptimos.

29

En el medio del enlace de una distancia total de 14,74 km se tendrán los siguientes

valores para la zona de Fresnel:

En el caso de una frecuencia de 2.4 GHz, el radio de la primera zona de Fresnel

será de 21 m y el radio que deberá estar libre para una transmisión optima, 60% de

la primera zona de Fresnel, será de 17 m.

En el caso de una frecuencia de 5.8 GHz, el radio de la primera zona de Fresnel

será de 14 m y el radio que deberá estar libre para una transmisión optima, 60% de

la primera zona de Fresnel, será de 11 m.

La banda de 5.8 GHz posee una menor zona de Fresnel, por lo cual será más fácil

evitar los obstáculos en la trayectoria del enlace y, por consecuencia, tener una

mayor calidad de enlace.

Pérdida por Trayectoria (Path Loss):

Es el valor de pérdida o atenuación en el espacio libre. Se obtiene usando la

fórmula del Path Loss. Esta se calcula para un enlace en el vacío con una

trayectoria ideal. Para nuestro caso la aplicaremos para una distancia de 14.74 Km,

y obtendremos los siguientes valores para cada banda:

Utilizando la ecuación siguiente:

R = 14.74 km = 14740 m

λ = 12.5 cm = 0.125 m

Lο = 123.4 dB

En el caso de una frecuencia de 2.4 GHz, tendremos una pérdida por trayecto de

123.4 dB.

R = 14.74 km = 14740 m

λ = 5.1724 cm = 0.051724 m

Lο = 131.1 dB

30

En el caso de una frecuencia de 5.8 GHz, tendremos una pérdida por trayecto de

131.1 dB.

Atenuación Atmosférica:

La atenuación atmosférica es la atenuación adicional que tiene la onda al pasar por

distintos entornos durante su trayectoria.

De las Figuras 4 y 5 obtenemos el factor de atenuación atmosférica

correspondiente a cada frecuencia (Fig. 5) y sumamos un factor de corrección para

transportarla al nivel del mar (Fig. 4.). Calculamos el factor de atenuación y la

atenuación total para un enlace de 14.74 Km de distancia:

En el caso de una frecuencia de 2.4 GHz, notamos una constante de atenuación de

0.007 dB/Km con un factor de corrección a nivel del mar de 0.015 dB/Km, con lo

que obtenemos un total de 0,022 dB/Km.

Para nuestro enlace de 14.74 Km de distancia se tendrá una atenuación total de

0.32428 dB para la banda de 2.4 GHz.

LA(f) = (F1 + F2) * R

LA: Pérdida por atenuación atmosférica [dB]

F1: Factor de atenuación atmosférica [dB/km]

F2: Factor de corrección a nivel del mar

R: Distancia del enlace [Km]

f: Frecuencia del enlace [GHz]

F1 (2.4) = 0.007

F2 (2.4) = 0.015

F1 + F2 (2.4) = 0.022 dB/Km

LA (2.4) = 0.022 * 14.74 = 0.32428 dB

En el caso de una frecuencia de 5.8 GHz, notamos una constante de atenuación de

0.01 dB/Km con un factor de corrección a nivel del mar de 0.015 dB/Km, con lo

que obtenemos un total de 0.025 dB/Km.

31

Para nuestro enlace de 14.74 Km de distancia se tendrá una atenuación total de

0.37435 dB para la banda de 5.8 GHz.

La atenuación total es menor para la banda de 2.4 GHz, pero la diferencia entre los

valores para cada banda es muy pequeña y por tanto, despreciable para una

comparación contra el beneficio de cada banda en este enlace.

Interferencia

Esta sucede cuando dos ondas viajan sobre el mismo medio y por tanto, a más

redes existan en la trayectoria del enlace, más interferencia se producirá y

tendremos una menor calidad de enlace. El manejo de selección de frecuencias

dentro de cada banda se da mediante la configuración de canales. Estos canales o

portadoras pueden o no solaparse entre ellos, dependiendo del estándar que siga

cada banda, equipo o fabricante.

a) Interferencia en la banda 2.4 GHz:

Esta banda posee 11 canales, hasta 14 para ciertas regiones, regidos por el

estándar IEEE 802.11 b/g, cuya gran mayoría se solapa entre ellas por excepción

de aquellas que se diferencia por 5 canales. Ejemplo: los canales 1, 6 y 11.

Podemos notar el solapamiento de canales en las siguientes figuras:

Figura 20: Solapamiento de los canales en la banda de 2.4 GHz Fuente: [17]

32

Figura 21: Canales en todas las regiones para la banda de 2.4 GHz Fuente: [18]

Figura 22: Canales disponibles según región Fuente: [19]

b) Interferencia en la banda 5.8 GHz:

Se cuentan con cerca de 40 canales, de acuerdo al estándar IEEE 802.11a,

dependiendo de la región. Cada uno de estos canales se solapa muy poco con los

otros en comparación a la banda de 2.4; esto se da por la forma de onda que se

utiliza para el protocolo en esta banda.

33

Figura 23: Solapamiento de los canales en la banda de 5.8 GHz Fuente: [17]

La banda de 5.8 GHz posee menos usuarios en comparación con la banda de 2.4

GHz, por lo que tendremos menor interferencia con otras redes aledañas.

Adicionalmente, el tener una menor zona de Fresnel y/o lóbulo de propagación

ayudarán a obtener menor interferencia.

Ancho de Banda Disponible:

Los anchos de bandas disponibles dependerán de los estándares, IEEE u otros,

que soporten cada equipo de radio, dependiendo de sus fabricantes. Los más

comunes para los equipos en cada banda son los siguientes:

En el caso de la banda de frecuencia de 2.4 GHz, los equipos de radio soportan los

estándares IEEE 802.11 b/g/n, cuyas portadoras poseen un ancho de banda de 20 MHz cada una.

En el caso de la banda de frecuencia de 5.8 GHz, los equipos de radio soportan los

estándares IEEE 802.11 a/n, cuyas portadoras poseen un ancho de banda de 5, 10, 20 o 40 MHz cada una.

34

Tasas de Modulación y Codificación (MSC Rates)

Con el estándar 802.11n se puede usar un nuevo conjunto de configuraciones

designadas específicamente para high throughput (HT). En la Tabla 3 se

encuentran las tasas de Modulaciones y Esquemas de Codificación HT (Modulation

and Coding Schemes: MCS) y sus símbolos dependientes. Estos vienen de la

sección 20.6 del estándar 802.11n D5 (2010). [20]

Leyenda:

nSS Número de flujos espaciales

R Tasa de codificación

nBPCSS(iSS) Número de bits codificados por señal de portadora para cada flujo

espacial, iSS = 1…, nSS

nSD Número de data compleja por flujo espacial por símbolo OFDM

nSP Número de valores piloto por símbolo OFDM

nCBPS Número de bits codificados por símbolo OFDM

nDBPS Número de bits de data por símbolo OFDM

Ratios HT20

El modo HT20 utiliza canales de 20 MHz y MCS de acuerdo a la siguiente tabla:

MCS Index

nSS Modulación R nBPCSS (iSS)

nSD nSP nCBPS nDBPS Mbps (800 ns GI)

Mbps (400 ns GI)

0 1 BPSK 1/2 1 52 4 52 26 6.5 7.2

1 1 QPSK 1/2 2 52 4 104 52 13.0 14.4

2 1 QPSK 3/4 2 52 4 104 78 19.5 21.7

3 1 16-QAM 1/2 4 52 4 208 104 26.0 28.9

4 1 16-QAM 3/4 4 52 4 208 156 39.0 43.3

5 1 64-QAM 2/3 6 52 4 312 208 52.0 57.8

6 1 64-QAM 3/4 6 52 4 312 234 58.5 65.0

7 1 64-QAM 5/6 6 52 4 312 260 65.0 72.2

8 2 BPSK 1/2 1 52 4 104 52 13.0 14.4

35

9 2 QPSK 1/2 2 52 4 208 104 26.0 28.9

10 2 QPSK 3/4 2 52 4 208 156 39.0 43.3

11 2 16-QAM 1/2 4 52 4 416 208 52.0 57.8

12 2 16-QAM 3/4 4 52 4 416 312 78.0 86.7

13 2 64-QAM 2/3 6 52 4 624 416 104.0 115.6

14 2 64-QAM 3/4 6 52 4 624 468 117.0 130.0

15 2 64-QAM 5/6 6 52 4 624 520 130.0 144.0

16 3 BSSK 1/2 1 52 4 156 78 19.5 21.7

17 3 QPSK 1/2 2 52 4 312 156 39.0 43.3

18 3 QPSK 3/4 2 52 4 312 234 58.5 65.0

19 3 16-QAM 1/2 4 52 4 624 312 78.0 86.7

20 3 16-QAM 3/4 4 52 4 624 468 117.0 130.0

21 3 64-QAM 2/3 6 52 4 936 624 156.0 173.3

22 3 64-QAM 3/4 6 52 4 936 702 175.5 195.0

23 3 64-QAM 5/6 6 52 4 936 780 195.0 216.7

24 4 BPSK 1/2 1 52 4 208 104 26.0 28.9

25 4 QPSK 1/2 2 52 4 416 208 52.0 57.8

26 4 QPSK 3/4 2 52 4 416 312 78.0 86.7

27 4 16-QAM 1/2 4 52 4 832 624 156.0 173.3

28 4 16-QAM 3/4 4 52 4 832 624 156.0 173.3

29 4 64-QAM 2/3 6 52 4 1248 832 208.0 231.1

30 4 64-QAM 3/4 6 52 4 1248 936 234.0 260.0

31 4 64-QAM 5/6 6 52 4 1248 1040 260.0 288.9

Tabla 3: Modos HT20

Fuente: [20]

Como vemos los ratios están ordenados según número de antenas:

Los modos HT-20 0 al HT-20 7 utilizan solo 1 antena

Los modos HT-20 8 al HT-20 15 utilizan 2 antenas



El número de antenas para transmisiones punto a punto están actualmente

limitadas a 2. Por lo cual, solo podremos utilizar los ratios del HT-20 0 al HT-20 15.

36

Para cubrir la necesidad de tráfico con un margen del 10% de la tasa de

transferencia máxima, teóricamente, bastará con los modos de HT20-2 (19,5

Mbps), que utiliza una sola antena, o HT20-8 (13,0 Mbps), que utiliza tecnología

MIMO 2x2.

Los modos variarán dinámicamente, dependiendo de la calidad del enlace en el

entorno y de la potencia de recepción que necesitemos para cada una.

Cobertura del enlace:

Un estimado de la distancia de cobertura para un enlace punto a punto se da a

continuación, este es brindado por los fabricantes de los equipos y dependen del

ancho de banda usado para la comunicación:

En el caso de la banda de frecuencia de 5.8 GHz, el fabricante Ubiquiti Networks,

Inc. nos brinda las siguientes distancias de cobertura, de acuerdo a los anchos de

banda con los que el transmisor esté funcionando:

Para una portadora con un ancho de banda 40 MHz, se podrá tener un enlace

punto a punto de 26.5 km.


punto a punto de 57.3 km.


punto a punto de 116 km.

Para una portadora con un ancho de banda 5 MHz, se podrá tener un enlace punto

a punto de 232.9 km. [21]

La capacidad de cobertura para equipos de la banda de 2.4 GHz es mayor, dado

que se mantienen en anchos de banda menores y poseen una mayor longitud de

onda, lo cual los hace más resistentes a la interferencia por obstáculos y menos

afectados por la atenuación.

Equipos disponibles en el mercado:

La disponibilidad de los equipos en el mercado es un factor muy importante para el

diseño, pues la posibilidad de conseguir los equipos adecuados dará las

limitaciones en cuestiones de potencias, ganancias, codificaciones y tamaños,

restringiendo así modelos ideales.

37

Se disponen de radios y antenas de mayor potencia para frecuencias mayores.

Conseguir equipos de menor frecuencia con potencias cercanas a las brindadas por

los equipos en bandas superiores supondrá una inversión más grande de dinero,

dado que estos no son equipos comerciales.

En la banda de 2.4 GHz podemos encontrar en el mercado equipos de radio con

una máxima potencia de 20 dBm y antenas direccionales con una ganancia

máxima de 24 dBi.

En la banda de 5.8 GHz podemos encontrar en el mercado equipos de radio con

una máxima potencia de 30 dBm y antenas direccionales con una ganancia

máxima de 34 dBi. [20]

Esto da una ventaja de potencias disponibles para la banda de 5.8 GHz, además de

sus costos muy cercanos a los equipos de menor potencia de la banda de 2.4 GHz.

[22]

Simulaciones:

A continuación se presenta simulaciones del enlace entre la Isla San Lorenzo y el

Campus PUCP en los simuladores RadioMobile y AirLink para las bandas de 2.4 y

5.8 GHz con equipos de la mayor potencia y ganancia disponibles en el mercado.

Estos simuladores utilizan modelos estadísticos para sus cálculos. [5]

Simulación en Radio Mobile:

Potencia de transmisión 30 dBm

Ganancia de antenas 29 dBi

Pérdida en cable 0.5 dB

Sensibilidad -97 dBm @ 6 Mbps

38

Simulación para la banda 2.4 GHz:

Figura 24: Simulación del Enlace para la Banda de 2.4 GHz en RadioMobile Fuente: Propio

Simulación para la banda 5.8 GHz

Figura 25: Simulación del Enlace para la Banda de 5.8 GHz en RadioMobile Fuente: Propio

39

Simulación en AirLink de Ubiquiti:




Sensibilidad -84 dBm @ MCS12

Equipos: Rocket M2 / RD-2G-24

Figura 26 Simulación del Enlace para la Banda de 2.4 GHz en AirLink de Ubiquiti Fuente: Propio/Ubiquiti

Se obtiene una potencia de recepción de -48.63 dBm, lo cual nos daría una margen

operativo del sistema de 35.37 dB.

40




Sensibilidad -84 dBm @ MCS12

Equipos Rocket M5 / RD-5G-35

Figura 27: Simulación del Enlace para la Banda de 5.8 GHz en AirLink de Ubiquiti Fuente: Propio/Ubiquiti

Se obtiene una potencia de recepción de -35.79 dBm, lo cual nos daría un margen

operativo del sistema de 48.21 dB, superior al margen calculado para la banda de

2.4 GHz.

Ambas simulaciones demuestran que el enlace es factible para ambas bandas, sin

embargo, difieren en la calidad presentada para cada frecuencia:

El simulador RadioMobile presenta mayor calidad para la banda de 2.4 GHz, con

una potencia de recepción de -34.1 dBm comparada contra -48.63 dBm, obtenidos

con el simulador AirLink.

Y el simulador AirLink de Ubiquiti presenta para la banda de 5.8 GHz una mayor

potencia de recepción, -35.79 dBm, comparada contra -60.2 dBm, obtenidos con el

simulador RadioMobile.

41

3.1.4. Link Power Budget

2.4 GHz 5.8 GHz

Longitud de Onda 12.5 cm 5.1724 cm

1era Zona de Fresnel 21 m 14 m

60% de Fresnel 17 m 11 m

Interferencia Mayor Menor

LINK BUDGET (14 Km)

Atenuación Atmosférica 0.32428 dB 0.37435 dB

Path Loss 123.4 dB 131.1 dB

Máxima Potencia Radio 20 dBm 30 dBm

Máxima Potencia

Antena 24 dBi 34 dBi

Pérdidas por Cables y

Conectores -2 dB -2 dB

PIRE 42 dBm 62 dBm

Máxima Potencia

Antena 24 dBi 34 dBi

Pérdidas por Cables y

Conectores -2 dB -2 dB

Potencia Recibida -69.72428 dBm -37.47435 dBm

Máxima Sensibilidad -97 dBm @1-24Mbps -94 dBm @6-24 Mbps

Margen 30.27572 dB 56.52565 dB

Máxima Tasa de

Transferencia 84.50 Mbps 175.51 Mbps

Tabla 4: Presupuesto de la Potencia del Enlace

Fuente: Propio

3.1.5. Propuesta

Dado que existen equipos de mayor potencia y a menor costo en la banda de 5.8

GHz, preferiremos esta banda. Adicionalmente, la diferencia entre pérdidas y

atenuaciones de las bandas es muy pequeña comparada a la potencia ganada por

los equipos en esta banda.

Los siguientes equipos, los cuales serán utilizados para realizar las pruebas, fueron

facilitados por la PUCP con el apoyo del GTR.

42

Equipo de Radio:

Marca Mikrotik

Modelo BaseBox5 – RouterBoard 912 UAG

Banda de Frecuencia 5 GHz

Interfaces - Gigabit LAN

- Universal Serial Bus (USB)

- mini-PCI

Potencia TX 27 dBm @ 6-24 Mbps

Potencia RX -94 dBm @ 6-24 Mbps

Costo 115.00 USD

Tabla 5: MikroTik – BaseBox5

Figura 28: MikroTik – BaseBox5

43

Antena:

Marca HyperLink

Modelo MIMO HG1958DP-34D

Frecuencia 4750-5850 GHz

Ganancia 31 dBi (4.9 - 5.3 GHz)

34 dBi (5.4 – 5.8 GHz)

Ancho de Haz Horizontal/Vertical 3.3° / 3.3°

Costo 390.00 USD

Tabla 6: Hyperlink – Antena con Reflector Dish

Figura 29: Hyperlink – Antena con Reflector Dish

44

Cable

Marca HyperLink

Modelo CA-SMNMA002

Conector N (macho) / SMA (macho)

Longitud 60 cm

Costo 15.00 USD

Tabla 7: Cable N - SMA

Figura 30: Hyper Link - Cable N - SMA

Costos:

Ítem Descripción Costo ($) Cantidad Total

1 Radio BaseBox5 115.00 2 230.00

2 Antena Dish Hyper Link MIMO 390.00 2 780.00

3 Cable N – SMA (Pigtail) 15.00 4 60.00

4 Cobertura Radome 50.00 1 50.00

5 Mano de Obra de Instalación 100.00 100.00

6 Movilización 100.00 100.00

Total 1,320.00

Tabla 8: Costo del Enlace Fuente: Propio

45

3.2. Diseño de la Red de Energía

Debido a que la Isla San Lorenzo no posee de fuentes de energía por proveedores

tradicionales deberemos utilizar fuentes de energía alternas propias para poder

abastecer de esta a los equipos a utilizar en la isla.

A continuación se muestra una lista de los equipos activos que se instalarán en la

isla y sus cargas correspondientes:

El radio transmisor de Mikrotik, modelo RouterBoard, tiene una carga

continua de 14 W, por lo cual tomaremos un total con margen de 20 W para

casos de emergencia y escalabilidad.

Se presenta una simulación en el programa NSolVx de la red energía basada en la

carga con margen para la locación real en la isla San Lorenzo, esta simulación nos

dará un estimado de las especificaciones y cantidades de baterías y módulos de

paneles solares que necesitaremos:

Figura 31: Simulación de la red de energía Fuente: Propio/NSolVx

Un panel solar de 140 W, como podemos ver en la simulación, no entrega la

potencia total durante todo el año dado el entorno nublado que tenemos, por lo cual

el sobredimensionamiento de la potencia de los paneles solares es coherente.

46

3.2.1. Propuesta

Se utilizarán equipos para la red de energía similares a los utilizados previamente

por el INRAS para sus diversos proyectos en la isla San Lorenzo, conformado por

dos módulos fotovoltaicos (140 W), una batería (104 Amp Hr) y un controlador de

carga. Los equipos seleccionados son los siguientes:

Módulo Fotovoltaico:

Marca Kyocera

Modelo KD140SX-UPU

Potencia Máxima 140 Watts

Voltaje a Máxima Potencia 17.7 Voltios

Corriente a Máxima Potencia 7.91 Amperios

Máximo Voltaje del Sistema 600 Voltios

Costo 285.00 USD

Tabla 9: Kyocera - Módulo Fotovoltaico

Figura 32: Kyocera - Módulo Fotovoltaico Fuente: Solar-Electric

47

Batería VLRA:

Marca Sun Xtender

Modelo PVX 1040T

Tipo Separador de vidrio absorbente (Absorbed Glass

Mat, AGM)

Voltaje Nominal 12 Voltios

Capacidad Amperio-Hora @ Ratio

24 Horas

104 Amperio-Hora

Carga Masiva/Absorción 2.37 a 2.40

Voltios/celda @ 77 F

14.2 a 14.4 Voltios

Carga de Flotación. 2.24 a 2.23

Voltios/celda @ 77 F

13.2 a 13.4 Voltios

Costo 300.00 USD

Tabla 10: Sun Xtender – Batería VLRA

Figura 33: Sun Xtender – Batería VLRA Fuente: Solar-Electric

48

Controlador de Carga:

Marca MorningStar

Modelo SunSaver-10 SS10L12V

Carga Nominal 12 Voltios DC

Máxima Entrada 30 Voltios

Corriente Solar 10 Amperios

Corriente de Carga 10 Amperios

Costo 60.00 USD Tabla 11: Controlador de Carga SunSaver-10

Figura 34: Controlador de Carga SunSaver-10 Fuente: Morningstar Corporation

COSTOS

Ítem Descripción Costo ($) Cantidad Total

1 Paneles Solares 140W 285.00 2 570.00

2 Batería 300.00 1 300.00

3 Controlador de Carga 60 1 60.00

4 Mano de Obra de Instalación 100.00 100.00

5 Movilización 100.00 100.00

Total 1,130.00 Tabla 12: Costo de la red de energía

Fuente: Propio

3.3. Topología de la Red

Se busca lograr una independencia entre el flujo de datos transmitido desde el

magnetómetro y el flujo de datos que será transmitido por proyectos diferentes a

este, por lo que se plantea el uso de redes independientes para ambas utilizando la

tecnología brindada por la radio transmisora, esta deberá poseer funciones como:

ruteo y configuración de VLAN’s.

49

Al conseguir un equipo que soporte estas funciones podremos utilizar la topología

de red siguiente:

Figura 35: Diagrama de la Topología de Red entre el Campus PUCP y la Isla San Lorenzo Fuente: Propio/Creately

Se tendrán dos redes independientes, la primera será la “VLAN Magnetómetro”,

que será exclusiva para la transferencia de datos desde el magnetómetro y la

segunda será la “VLAN INRAS” que abarcará todos los proyectos actuales y

futuros. Ambas de estas redes serán llevadas por la “VLAN Trunk” y así

transmitidas en un único enlace.

El balanceo de carga, o el ancho de banda designado para cada red, será

configurado en el equipo de radio, teniendo la “VLAN Magnetómetro” una tasa de

transferencia máxima de 300 kbps y un flujo de señal del tipo burst predefinido para

transmitir a ciertas horas del día.

El ancho de banda restante se dejará libre para pruebas de redundancia en el

enlace y la red para demás experimentos

3.3.1. Propuesta

Se mantiene la propuesta de utilizar las radios transmisoras de la marca Mikrotik ya

que poseen un sistema operativo flexible de código abierto, RouterOS, que permite

distintas configuraciones personalizadas, como las mencionadas previamente,

además de poseer no solo funciones de radio transmisor sino también aquellas de

un router, por lo cual es la opción más adecuada para este caso.

50

3.4. Análisis de Ruido

Cuando se realiza un análisis de espectro es importante definir el rango límite del

Access Point basándose en la tasa de Relación Señal a Ruido (Signal to Noise

Ratio, SNR), el cual es el nivel de la señal (dBm) menos el nivel de ruido (dBm)

El SNR que es medido en el dispositivo receptor, decrece en cuanto la distancia se

incremente dado que la pérdida en espacio libre entre ambos dispositivos reduce la

señal recibida. Un incremento en la interferencia electromagnética, sea de hornos

microondas, teléfonos u otras fuentes, también aumentará el nivel de ruido por lo

que consecuentemente el SNR disminuirá.

El rango de valores comunes de rendimiento según SNR es el siguiente [23]:

> 40 dB SNR: Señal excelente, siempre asociado, sumamente rápido

25 dB – 40 dB SNR: Señal muy buena, siempre asociado, muy rápido

15 dB – 25 dB SNR: Señal baja, siempre asociado, usualmente rápido

10 dB – 15 dB SNR: Señal muy baja, usualmente asociado, lento

5 dB – 10 dB SNR: Señal nula, no asociado, no hay transmisión

Cuando se tiene un nivel bajo de SNR, primero se debe determinar si el problema

es debido a la potencia de la señal o al nivel de ruido. Y para resolverlo se deberá

incrementar la potencia transmitida o disminuir el ruido, este es un proceso muy

complicado por lo cual la solución más sencilla siempre es aumentar la potencia, en

lugar de disminuir el ruido. A continuación presentamos alternativas según sea el

caso [24]:

Señal de Baja Potencia:

Optimizar la locación del dispositivo

Remover dispositivos cercanos innecesarios

Utilizar una antena diferente

Incrementar la potencia del transmisor

Reconfigurar la seguridad WEP para solo una llave

Reducir el ancho de banda

51

Alto Nivel de Ruido

Utilizar una banda de frecuencia distinta

Utilizar un canal de portadora distinto

Identificar la fuente de ruido en el entorno

Proteger al transmisor del equipo que genera ruido

Utilizar una banda licenciada

52

CAPÍTULO 4: Pruebas y Resultados

4.1. Prueba del Enlace

Para las pruebas se instalaron los equipos de radio junto a un módulo de pruebas

en las locaciones designadas: el dispositivo configurado como Access Point se

encuentra en la Isla San Lorenzo y el equipo configurado como Station, el cual

recibe todos los datos de las pruebas, en el Edificio “McGregor”, para facilitar las

modificaciones en la configuración con un rápido acceso.

Las pruebas constan de tomas de datos automáticas ejecutadas cada 15 minutos.

Estas fueron diseñadas para medir el ancho de banda del enlace y los parámetros

del enlace.

En el Anexo 4.1 se podrán encontrar las pruebas en detalle.

4.1.1. Prueba 1: Ancho de Banda

IPERF

iPerf3 es una herramienta para la medición activa del máximo ancho de banda

alcanzable en una red IP. Soporta la configuración de varios parámetros

relacionados al tiempo, buffers y protocolos (TCP, UDP, SCTP con IPv4 e IPv6).

Para cada prueba reporta el ancho de banda, pérdida, y otros parámetros. Esta es

una nueva implementación que no comparte su código con el iPerf original y

tampoco es retro-compatible. iPerf fue desarrollado originalmente por

NLANR/DAST. iPerf3 está desarrollado principalmente por ESnet / Lawrence

Berkeley National Laboratory. Está lanzado bajo tres cláusulas de la licencia BSD.

53

Características

TCP y SCTP

Calcula ancho de banda

Reporta tamaños de MSS/MTU and lecturas observadas

Soporte para el tamaño de ventana TCP vía buffers de sockets

UDP

El cliente puede crear flujos UDP de ancho de banda especifico

Medición de la pérdida de paquetes

Medición del jitter (retraso)

Capaz de multicast

Multi-plataforma: Windows, Linux, Android, MacOS X, FreeBSD, OpenBSD,

NetBSD, VxWorks, Solaris

Multi-Hilo: Cliente y servidor pueden terminar múltiples conexiones

simultáneas

El Servidor maneja múltiples conexiones, en lugar de terminarlas luego de

un test

Puede ejecutarse en un tiempo específico, en lugar de una cantidad de data

a transferir [25]

Prueba en Canal 5745 MHz

MIMO 2x2

C0: Polarización Vertical

C1: Polarización Horizontal

Inicio: 16:15 horas, 16 de Noviembre del 2015

Fin: 17:45 horas, 18 de Noviembre del 2015

54

Figura 36: Prueba iPerf en Canal 5745 MHz Fuente: Propio

Tasa de transmisión promedio: 1.742 Mbps

Prueba en Canal 5825 MHz

MIMO 2x2




Fin: 9:00 horas, 1 de Diciembre del 2015

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

16:1

2:0

1

17:4

5:0

1

20:0

0:0

1

22:1

5:0

1

0:30

:01

2:45

:01

5:00

:01

7:15

:02

9:30

:01

11:4

5:0

1

14:0

0:0

1

16:1

5:0

1

18:3

0:0

1

20:4

5:0

1

23:0

0:0

1

1:15

:01

3:30

:01

5:45

:01

8:00

:01

10:1

5:0

1

12:3

0:0

1

14:4

5:0

1

17:4

5:0

1

kbps

Promedio

55



Desviación estándar: 1.249 Mbps

Estos valores superan la tasa de transmisión promedio requerido por el sistema

dando un margen de alrededor del 50%, por lo cual el enlace será aceptable y

superior al estimado.

Para poder tener un enlace de mayor estabilidad y sin picos se debería tener una

potencia de recepción mayor. Esta podrá ser obtenida mediante la optimización de

las locaciones de las estaciones, especialmente en el nodo de la Isla San Lorenzo,

lo cual requeriría de trámites con la Marina de Guerra del Perú para permisos de

instalación y nuevas estructuras de soporte para la antena. Aumentar la potencia de

la antena o transmisor no es una opción, dado que estas pruebas exceden el PIRE

(Potencia Isotrópica Radiada Equivalente) máximo establecido para la banda, 36

dBm [26], se necesitará solicitar permisos para poder sobrepasar este límite,

teniendo como punto a favor para esta solicitud la trayectoria del enlace, en la cual

no hay obstrucciones por zonas pobladas (dentro de la zona de Fresnel).

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

kbps

Promedio

56

4.1.2. Prueba 2: Potencia

Los parámetros obtenidos por la prueba son los siguientes [27]:

signal-strength Potencia promedio (número entero) de la potencia de la

señal del cliente hacia el AP en dBm

signal-strength-ch0 Potencia recibida de la señal del cliente hacia el AP en el

“chain 0” en dBm

signal-strength-ch1 Potencia recibida de la señal del cliente hacia el AP en el

“chain 1” en dBm

signal-to-noise Diferencia entre la potencia promedio recibida y el piso de

ruido en dB

tx-ccq Client Connection Quality (CCQ) para la transmisión

rx-ccq Client Connection Quality (CCQ) para la recepción

p-thoughput Throughput estimado aproximado (número entero) que se

espera llegue al otro punto, tomando en cuenta 5 segundos Tabla 13: Parámetros del enlace obtenidos en el equipo MikroTik

Fuente: MikroTik

Client Connection Quality (CCQ)

Es un valor en porcentaje que muestra que tan efectivo es el ancho de banda

utilizado comparado al máximo teórico disponible. CCQ es un promedio ponderado

de los valores Tmin/Treal, que se calculan para cada trama transmitida, donde Tmin

es el tiempo que tomaría transmitir dicha trama a la velocidad más alta sin

reintentos y Treal es el tiempo que tomo transmitir la trama en realidad (tomando en

cuenta los reintentos necesarios).

57

Las pruebas nos dieron los valores siguientes:

Prueba en el Canal 5825 MHz

MIMO 2x2







0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

14:0

0:0

1

15:0

0:3

6

16:0

0:0

1

17:0

0:0

1

18:0

0:0

1

19:0

0:0

1

20:0

0:0

1

21:0

0:0

1

22:0

0:0

1

23:0

0:0

1

0:00

:01

1:00

:01

2:00

:01

3:00

:01

4:00

:01

5:00

:01

6:00

:01

kbps

Promedio

58

AP:

Figura 39: Prueba de Potencia en Canal 5825 MHz – AP Fuente: Propio

Potencia recibida promedio: -77.59 dBm

SNR promedio: 31.70 dB

STATION:

Figura 40: Prueba de Potencia en Canal 5825 MHz – Station Fuente: Propio

Potencia Recibida Promedio: -76.16

SNR Promedio: 36.78 dB

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

14:0

7:4

1

15:0

0:0

0

16:0

0:0

0

17:0

0:0

0

18:0

0:0

0

19:0

0:0

0

20:0

0:0

0

21:0

0:0

0

22:0

0:0

0

23:0

0:0

0

0:00

:00

1:00

:00

2:00

:00

3:00

:00

4:00

:00

5:00

:00

6:00

:00 signal-strength-ch0

signal-strength-ch1

signal-to-noise

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

14

:06

:35

15

:00

:00

16

:00

:00

17

:00

:00

18

:00

:00

19

:00

:00

20

:00

:00

21

:00

:00

22

:00

:00

23

:00

:00

0:00

:00

1:00

:00

2:00

:00

3:00

:00

4:00

:00

5:00

:00

6:00

:00 signal-strength-ch0

signal-strength-ch1

signal-to-noise

59

El valor promedio de SNR, 34.24 dB, es un valor óptimo que permite gran

estabilidad del enlace y alta tasa de transmisión, muy cercano al valor por

excelencia, superior a 40 dB; por lo cual el ruido en el sistema no será un problema

para el enlace.

Como se puede ver, los intervalos en que la conexión se ha perdido se dan con

valores normales de SNR y de potencia, por lo cual estas pérdidas no se deben a

interferencias, es muy probable que estos fueran dados debido a fallas de red en el

módulo de pruebas.

Adicionalmente, podemos notar que el canal con polarización vertical ha sido más

eficiente que el canal con polarización horizontal para este caso. Esto va de

acuerdo con múltiples proyectos de investigación, papers [28], que afirman que la

polarización vertical es más efectiva para trayectorias sobre el mar que la

polarización horizontal.

4.1.3. Prueba 3: Margen del Sistema

El margen del sistema que obtuvimos a lo largo de las pruebas fue:

Prueba en el Canal 5825 MHz

MIMO 2x2





60

AP:

Figura 41: Margen Operativo del Sistema en Canal 5825 MHz – AP Fuente: Propio

Potencia recibida promedio: -77.59 dBm

Margen del sistema promedio: 18.40 dB

STATION:

Figura 42: Margen Operativo del Sistema en Canal 5825 MHz – Station Fuente: Propio

Potencia recibida promedio: -76.16

Margen del sistema promedio: 19.84 dB

-

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

14:0

6:3

5

14:4

5:0

0

15:3

0:0

0

16:1

5:0

0

17:0

0:0

0

17:4

5:0

0

18:3

0:0

0

19:1

5:0

0

20:0

0:0

0

20:4

5:0

0

21:3

0:0

0

22:1

5:0

0

23:0

0:0

0

23:4

5:0

0

0:30

:00

1:15

:00

2:00

:00

2:45

:00

3:30

:00

4:15

:00

5:00

:00

5:45

:00

6:30

:00

SOM

Promedio

-

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

14:0

6:3

5

14:4

5:0

0

15:3

0:0

0

16:1

5:0

0

17:0

0:0

0

17:4

5:0

0

18:3

0:0

0

19:1

5:0

0

20:0

0:0

0

20:4

5:0

0

21:3

0:0

0

22:1

5:0

0

23:0

0:0

0

23:4

5:0

0

0:30

:00

1:15

:00

2:00

:00

2:45

:00

3:30

:00

4:15

:00

5:00

:00

5:45

:00

6:30

:00

SOM

Promedio

61

Se ve que la potencia recibida está por encima del valor mínimo requerido

(sensibilidad) por el receptor en ambas direcciones. El valor promedio del margen

del sistema para esta prueba es de 19 dB, el cual es un valor muy cercano al

recomendable, 20 dB, para un sistema de alta disponibilidad.

La potencia de recepción esperada según el simulador Radiomobile es de -60.2

dBm y según el cálculo de Link Budget teórico de -37.47435 dBm. La potencia

recibida promedio obtenida en las pruebas fue de -76.875 dBm, dándole una mayor

confiabilidad a las estimaciones de Radiomobile sobre otros métodos de cálculo.

4.2. Prueba del Sistema de Energía

Obtuvimos los informes de los valores eléctricos en los paneles solares y baterías

en la base de datos de “QuakeFinder”, estos siguen el siguiente formato:

La data de cada canal se distribuye en histogramas X e Y, en un intervalo de un

día. Cada cuadro incluye en el área izquierda:

El índice del canal

La hora PST

En el área derecha

El máximo de los valores en el intervalo

El mínimo de los valores en el intervalo

El delta de los valores en el intervalo

El histograma-logarítmico de los valores, acumulados en el intervalo.

Figura 43: Formato de Muestra Estadística Diaria de los Valores de Energía

Fuente: [29]

El número de cuadros por día es interpretado como un número de pixeles.

Los histogramas son dibujados con rectas SVG en un color

62

Azul es graficado verticalmente desde el más bajo al medio de cada cuadro

X

Rojo es graficado verticalmente desde el medio al más alto de cada cuadro

X

Gris es graficado horizontalmente hacia la derecha, proporcional a la

cantidad de tiempo que el valor ocupo el pixel

Verde es graficado verticalmente desde el fondo hacia la desviación

estándar de cada cuadro X, el verde se extiende hacia arriba

proporcionalmente al cambio en el canal de data. [29]

4.2.1. Estado del Sistema de Energía

La primera gráfica muestra la tensión del panel fotovoltaico.

La segunda gráfica muestra la tensión de la batería utilizada.

La tercera gráfica muestra la temperatura en Kelvin del controlador de baterías.

Figura 44: Estadísticas del Sistema de Energía – 11/11/15 Fuente: QuakeFinder

63



Podemos notar que el sistema de energía tiene un perfil estable, el cual siempre

logra brindar de energía suficiente al sistema de comunicaciones a lo largo de todo

el día.

64

La prueba se llevó a cabo durante la temporada de primavera, por lo cual hacer una

prueba adicional durante la temporada de invierno, la cual es el peor caso, será de

gran beneficio para la confiabilidad de este sistema a lo largo de todo el año.

65

CONCLUSIONES

El desarrollo de la tesis comprende una solución para que la estación PM-06

del proyecto “Perú-Magneto” posea un medio de comunicación adecuado,

teniendo en cuenta la implicancia económica y la demanda de servicios que

se observa en la zona. Como punto a favor, el sistema de microondas tiene

un costo más reducido que los demás (fibra óptica, red celular y satelital).

Como se observó en el capítulo 3, la relación de los costos con la facilidad

de la instalación y la demanda existente, hacen de este sistema el mejor.

Se demuestra que la banda de frecuencia de 5.8 GHz es mucho más

ventajosa en cuestión de economía y facilidad de adquisición de equipos,

dado que es una banda liberada.

Se logra demostrar que es posible lograr un enlace que satisface el

requerimiento de transmisión de por lo menos 1,5 Mbps para el Proyecto

“Perú-Magneto” del Instituto de Radioastronomía, con trayectoria entre la

Isla San Lorenzo y el Campus de la Pontificia Universidad Católica, en la

banda de 5.8 GHz. Se obtuvo durante las pruebas una tasa de transmisión

promedio de 2.235 Mbps.

Se tienen valores promedio de SNR y de margen operativo del sistema que

superan los parámetros de exigencia comunes. Se obtuvo un SNR de 34.24

dB, valor óptimo que permite gran estabilidad del enlace y una alta tasa de

transmisión, muy cercano al valor por excelencia: superior a 40 dB. También

se obtuvo un margen operativo del sistema de 19 dB, el cual es un valor

muy cercano al recomendable, 20 dB, para un sistema de alta

disponibilidad.

El software propio de equipo muestra valores de transmisión promedio de 5

Mbps, mientras que el módulo de prueba nos demuestra que la tasa real es

de 2.235 Mbps. Esto nos lleva a discutir la confiabilidad de las tasas de

transmisión mostradas en los equipos de radio.

El sistema presenta una disponibilidad del 97.11%.

La alta desviación estándar, 1.249 Mbps, en la tasa de transmisión puede

haber sido causada efectos de la propagación multi-trayecto generada por el

mar, para poder confirmar esto se necesitarán de más pruebas.

Se logra diseñar un sistema de energía basada en fuentes alternativas que

mantiene a los equipos energizados durante las 24 horas del día con una

autonomía de alrededor de 2 días.

66

Se logra observar que los datos obtenidos en las pruebas reales difieren con

un margen del 10% contra el simulador RadioMobile, por lo que sería más

confiable incluso que los simuladores propietarios de los equipos utilizados.

Lo anchos de banda obtenidos son muchos menores a los esperados a

pesar de tener valores favorables de potencia de recepción y SNR.

67

RECOMENDACIONES

Si la interferencia aumenta, se recomienda cambiar la frecuencia del enlace

a una que se encuentre en una banda licenciada, como la banda de 3 GHz o

10 GHz. Para estas dos bandas, existen equipos disponibles en el mercado.

También se podrían utilizar otras bandas, pero se necesitaría importar

equipos que trabajen en estas frecuencias.

Utilizar equipos con mayor potencia. Para que esto funcione, se tendrá que

solicitar permisos especiales al MTC, dado que se supera el PIRE máximo

establecido: 36 dBm.

Utilizar un radome. Este ayudará a que la radio no sea afectada por el viento

y así mantener el ángulo de su haz estable. Adicionalmente, permitirá un

mantenimiento óptimo de los equipos, lo cual es especialmente importante

para una zona con vientos y arena como es la Isla San Lorenzo.

Utilizar una locación más alta para el nodo ubicado en la isla San Lorenzo

ayudara a evitar la creciente saturación en la banda, al evitar la interferencia

causada por los lóbulos de transmisión de otras redes. Así como también

disminuir el efecto de la propagación multi-trayecto causada por el mar al

alejarnos de la superficie marítima.

El uso de la tecnología de antenas MIMO podría o bien ayudar a disminuir el

nivel de potencia requerido dada su capacidad de redundancia, o bien

aumentar la tasa de transmisión mediante su capacidad de multiplexación.

Es óptimo tener un acceso en tiempo real a los dispositivos de transmisión,

para así poder lograr una reconfiguración de los parámetros del enlace. A su

vez, también es importante tener acceso en línea en tiempo real a los

módulos de pruebas. Ambas recomendaciones se pueden lograr mediante

la facilitación de una conexión inalámbrica hacia el módulo de pruebas.

Mantenimiento preventivo y correctivo.

68

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[30] IEEE Std 211-1997, Standard Definitions of Terms for Radio Wave

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